1、13 第2章 钢结构的材料 钢是以铁和碳为主要成份的合金。由于化学成分、冶炼、铸造、加工工艺的不同，钢材种类繁多；而且由于所受荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外因的影响，钢材性能差别很大。本章主要介绍钢材的基本力学性能以及各种因素对钢材力学性能的影响。 2.1 钢材的主要力学性能 钢结构大多应用在大跨、高层或承受较大荷载的结构中，加之受力情况复杂、环境恶劣等外部因素，对钢材的性能就有多方面的要求。全面了解钢材的力学性能及其衡量指标是设计者合理选择钢材的第一步。 2.1.1 钢结构对钢材的性能要求 钢结构使用的钢材数量大、品种多，性能差别很大，用作钢结构的钢材必须符合下列要求： （ 1）
2、较高的强度。钢材的强度指标有两个：抗拉强度uf 和屈服点yf 。yf 是衡量结构承载能力的指标，yf 高可节约钢材和降低造价。uf 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，uf 高可增加结构的安全储备。 （ 2）较高的塑性和韧性。塑性和韧性分别表明钢材在静载和动载作用下的变形能力。较大的塑性变形可以调整局部应力；韧性好表明钢材具有较好的抵抗重复荷载作用的能力，从而可以减轻钢材脆性破坏的倾向。 （ 3）良好的工艺性能。对材料进行冷加工、热加工及焊接时，易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。 此外，根据结构的具体工作条件，
3、有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。 按以上要求， 钢规具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 2.1.2 低碳钢的-曲线特性 钢材的主要力学性能可由钢材的单向拉伸试验获知。图 2-1 是低碳钢标准试件在常温静载情况下，单向均匀受拉试验时的荷载变形 ( FL )曲线或应力应变 ( )曲线。从图 2-1 可以看出，钢材一次拉伸过程中可分为以下四个阶段。 1.弹性阶段 在曲线 OE 段，钢材表现为弹性，即应变随着
4、应力的增加而增加，卸载后应变为零。 其中 OA 段是一条斜直线 (A 点为比例极限pf )，当pf 时，应力和应变成正比，符合胡克定律，其斜率即弹性模量很大，3206 10 MPaE = = ，因而变形很小。当pf (即 AE 段 )时，曲线弯曲，应力应变呈非线性，但钢材仍具有弹14 性性质，弹性阶段终点 E 点为弹性极限ef 。但由于残余应力的影响，pf 和ef 非常接近，一般不加以区分。 2.弹塑性阶段 自弹性极限ef 到屈服点yf ，钢材进入弹塑性阶段，即曲线 EC 段。此阶段应力应变呈曲线关系，弹性模量逐渐降到零。ef ，变形包括弹性变形和塑性变形两个部分，塑性变形不会因荷载消失而消失
5、，故又称为残余变形或永久变形。 3.塑性阶段 随着变形的加快，曲线出现锯齿形波动，直到出现应力保持不变而应变仍持续增大的现象，这就是塑性阶段，即曲线 CF段。也就是钢材对外力的屈服阶段，相应的应力称为屈服点yf ，此时钢材的内部组织纯铁体晶粒产生滑移。应变由开始屈服时的 0.1 0.2，到屈服终了可增大到 2 3，钢材表现为暂时失去承载能力。 在开始进入塑性流动阶段时，曲线的波动较大，而后才逐渐趋于平稳，即出现上屈服点和下屈服点。上屈服点和试验条件 (加荷速度、试件形状等 )有关，而下屈服点则对此不太敏感，因而以下屈服点作为屈服点。 4.强化阶段 屈服阶段后，钢材内部晶粒重新排列，又恢复了承载
6、能力，曲线有所上升，即曲线 FB 段。此阶段以塑性变形为主，曲线最高点 B 点对应的强度即为抗拉强度uf ，这就是强化阶段，或称为应变硬化阶段。 随后，在试件材料质量较差的地方，截面出现横向收缩变形即“颈缩”，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，此时应力不断降低，应变却延续发展，直至试件断裂，此阶段对应的曲线为 BD 段。 2.1.3 钢材的力学性能指标 钢材的力学性能指标主要有强度指标、塑性指标、冷弯性能指标及冲击韧性指标等四项指标。 1.强度指标 通过对低碳钢标准试件一次拉伸试验的应力应变曲线的分析， 可以得到具有代表性的强度指标为比例极限、弹性极限、屈服点和抗拉强度。但钢材常存在残余
7、应力，在残余应力的影响下，弹性极限和比例极限很难区分，且应力达到屈服点时的应变和比例极限时的应变很接近，因而可以认为应力达到屈服点时为弹性工作的终点，即钢材在达到屈服点以前是理想弹性体。达到屈服点后，在一个较大的塑性应变范围 (0.15 2.5 )，应力不会继续增加，接近理想塑性体。因此，可以将钢材看作是理想弹塑性体（图 2-2） ，将屈服点作为弹性工作和塑性工作的分界点， 以屈服点作为弹性计算时的强度极限。 当钢材屈服后， 应变急剧增长，从而使结构的变形迅速增加以致不能继续使用。因此，钢材屈服点是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标。另外，钢材在达到屈服点后，会产生很大的塑性变形，极易
8、被人们发现，可以及时采取措施，避免发生突然破坏。 低碳钢和低合金钢有明显的屈服点和屈服平台，而热处理钢材 ( 690MPayf = 的美国A514 钢 )可以有较好的塑性性质但没有明显的屈服点和屈服平台，应力应变曲线这一条连续的曲线 (图 2-3)。对于这种没有明显屈服点的钢材，其屈服条件是根据试验分析结果而人为规定永久变形为 0.2% = 时对应的应力作为屈服点，用0.2 表示，称为名义屈服点或条件屈服点。 抗拉强度uf 是钢材破坏前所能承受的最大应力，是衡量钢材经过巨量变形后的抗拉能力。它不仅是一般的强度指标，而且直接反映钢材内部组织的优劣，并与疲劳强度有比较密切的关系。虽然钢材屈服后，由
9、于产生很大的塑性变形而不能继续使用，但从屈服开始到断裂的塑性工作区域很大，比弹性工作区域约大 200 倍，是钢结构极大的强度储备，因此抗拉15 强度uf 为结构提供了安全保障。强屈比（对低碳钢 1.6 1.9uyff= )可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数，强屈比越高，钢材的安全储备越大。 抗拉强度uf 是钢材破坏前所能承受 塑性设计虽然把钢材看作理想弹塑性体，忽略应变硬化的有利影响，却是以uf 高出yf 为条件的。如果没有硬化阶段，或uf 高出yf 不多，就不具备塑性设计应具有的转化能。因此， 钢规规定，塑性设计时，钢材的强屈比必须满足 1.2uyff 综上所述，屈服点yf 和抗拉强度uf
10、 是钢材强度的两项重要指标。 2.钢材的塑性指标 钢材的塑性一般是指当应力超过屈服点yf 后， 产生显著的塑性变形 (残余变形 )而不立即断裂的性质，即钢材在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。可由一次静力拉伸试验得到的机械性能指标伸长率 来衡量。 伸长率 等于试件拉断后的原标距间长度的伸长值和原标距的比值，以百分数表示 (图2-4)，即 %1001=lll (2-1) 式中： l 试件原标距间长度； 1l 拉断后试件标距间长度。 ld伸长率 越大，说明钢材的塑性越好。由于颈缩而引起的标距增量占总增量的大部分，又因为这部分由颈缩引起的标距增量， 对短试件 ( 5ld= )和长试件 ( 10
11、ld= )实际上相差不大， 因此由上式确定的伸长率随试件标距的减短而增大。 当 5ld= 时， 以5 表示； 当 10ld=时，以10 表示。 3.钢材的冷弯性能指标 如前所述，结构钢不仅要有较高的强度、足够的变形能力，还应具有良好的加工性能。结构在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序，都需要钢材有较好的冷弯性能，而非焊接的重要结构，如吊车梁、吊车桁架、有大吨位吊车厂房的屋架等，也要求冷弯试验合格。 钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力的一项指标。钢材的冷弯性能用冷弯试验来检验。 图 2-2 理想弹塑性体的应力 -应变曲线 yf 图
12、 2-3 高强度钢材的应力 -应变曲线 0.2f 00.20.2图 2-4 拉伸试件 16 冷弯试验是在材料试验机上进行的，根据试样厚度，按规定的弯心直径，通过冷弯冲头加压，将试样弯曲至 180，检查试样表面及侧面无裂纹或分层，即为冷弯试验合格（图 2-5） 。 冷弯试验一方面能直接检验钢材的弯曲能力或塑性性能， 检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程；另一方面还能暴露钢材内部的冶金缺陷 (晶粒组织、结晶情况及非金属夹杂分布情况 )，直接反映材质优劣，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。所以，冷弯性能是钢材塑性指标之一，也是衡量钢材质量的一个综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工
13、艺性能时，应有冷弯试验合格保证。 4.冲击韧性 拉力试验所表现的钢材性能，如强度和塑性，是静力性能，而韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量 (包括弹性和非弹性能 )来量度，其值为图 2-1 中 - 曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常是钢材强度提高，韧性降低则表示钢材趋于脆性。 材料的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。 1988 年 6 月 29 日国家标准局发布了新的国家标准碳素结构钢 (GB700 88)，规定采用夏比 V 形缺口试件在夏比试验机上进行，所得结构以所消
14、耗的功vC 表示，单位为 J，试验结果不除以缺口处的截面面积。过去我国长期以来皆采用梅氏试件在梅氏试验机上进行，所得结果以单位截面积上所消耗的冲击功Ka 表示，单位为 J/cm2。由于夏比试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用vC 能量来表示材料冲击韧性的方法日趋普遍。 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响， 在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20 )冲击韧性指标，还要求具有负温 (-20或 -40 )冲击韧性指标，以保证结构具有足够 的抗脆性破坏能力。 2.2 影响钢材力学性能的因素 图 2-5 冷弯试验 P d 5 150ld=+a2.1da+ P
15、 图 2-6 冲击韧性试验 R=1.0试件 试件摆锤梅氏试件 夏比试件 kA mgh= mgR=0.25h17 影响钢材力学性能的因素很多，主要有化学成分、冶金缺陷与轧制过程、钢材硬化、温度、应力状态及加载速度等的影响。 2.2.1 化学成分 钢是由各种化学成分组成的， 化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。铁 (Fe) 是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约古 99；碳和其他元素仅占 1，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。其他元素包括硅 (Si)、锰 (Mn)、硫 (S)、磷 (P)、氮 (N)；氧 (O)等。低合金钢中还含有少量 (低于 5 )合金元素，如铜 (
16、Cu)、钒 (V)、钛(Ti)、铌 (Nb)、铬 (Cr)等。 在碳素结构钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢，对含碳量要加以限制，一般不应超过 0.22，在焊接结构中还应低于 0.26。 硫和磷 (其中特别是硫 )是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，谓之热脆；在低温时，磷使钢变脆，谓之冷脆。一般硫的含量应不超过 0.045，磷的含量不超过 0.045。
17、但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。可使用的高磷钢，其含量可达 0.12，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。 氧和氮都是钢中的有害杂质。氧的作用和硫类似，使钢热脆；氮的作用和磷类似，使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逸出，一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。 硅和锰是钢中的有益元素，它们都是炼钢的脱氧剂。它们使钢材的强度提高，含量不过高时，对塑性和韧性无显著的不良影响。在碳素结构钢中，硅的含量应不大于 0.3，锰的含量为 0.3 0.8。对于低合金高强度结构钢，锰的含量可达 1.0 1.6，硅的含量可达0.55。 钒和钛是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又
18、不显著降低钢的塑性。 铜在碳素结构钢中属于杂质成分。它可以显著地提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对可焊性有不利影响。 2.2.2 冶金缺陷与轧制过程 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质，气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。这些缺陷都将影响钢材的力学性能。浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。 冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现
19、出来。 钢材的轧制是在高温（ 1200 1300）和压力作用下将钢锭热轧成钢板或型钢。轧制使钢锭中的小气孔、裂纹等缺陷焊合起来，使钢材金相组织更加致密，同时细化钢的晶粒。从而改善了钢材的力学性能。故轧制次数越多，钢材质量越好（各项力学性能指标均明显提高） ，而且经过双向轧制的钢板比只经过单向轧制的性能好。厚度大的钢材辊轧次数较少而晶粒较粗，与同条件的较薄钢材比，力学性能指标低些，焊接性能也差。 钢规根据钢板厚度和型钢尺寸，将钢材分为 4 组，每组给出不同的设计强度。第一组最薄，设计强度也最高。 2.2.3 钢材硬化 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点
20、，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化 (或应变硬化 )。 在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化， 俗称老化。 时效硬化的过程一般很长， 但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。这种方法谓之人工时效。 此外还有应变时效，是应变硬化 (冷作硬化 )后又加时效硬化。 18 图 2-8 冲击韧性与钢材温度的曲线 试验温度冲击断裂功1T脆性破坏 转变过渡区段 塑性破坏 反弯点0T 2T vC在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构
21、要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻加以消除。 2.2.4 温度影响 钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆(图 2-7)。 温度升高，约在200以内钢材性能没有很大变化， 430540之间强度急剧下降， 600时强度很低不能承担荷载。但在250左右， 钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在 260 320时，在应力
22、持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。 当温度从常温开始下降， 特别是在负温度范围内时， 钢材强度虽有提高， 但其塑性和韧性降低， 材料逐渐变脆， 这种性质称为低温冷脆。 图 2-8 是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。 由图可见， 随着温度的降低vC 值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏， 同时可见这一转变是在一个温度区间12TT 内完成的， 此温度区12TT 称为钢材的脆性转变温度区， 在此区内曲线的反弯点 (最陡点 )所对应的温度0T 称为转变温度。如果把低于0T 完全脆性破坏的最高温度1T 作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。每种钢材的脆性转
23、变温度区及脆断设计温度需要由大量破坏或不破坏的使用经验和实验资料统计分析确定。 2.2.5 应力状态 钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点yf 时，钢材即进入塑性状态。但在多向拉应力场作用下，钢材的屈服不能以某个方向的应力达到yf 来判断，而应按材料力学第四强度理论用折算应力zs 与钢材单向应力下的屈服点yf 相比较来判断： 222 222()3()zs x y z x y y z z x xy yz zx =+ + (2-2) 当zs 时，为以拉为主的应力循环；max0 ， 0.1=nr ；板厚修正系数， 25mmt ， 1tr = 。 查规范表 3.2.7-2 的杆件验算截面为类疲劳等级
24、，查表 3.2.7-1 知其疲劳容许应力 MPa7.1300= E4E4杆的净截面积 : 208 (412 460 2) 24 8 23 24 27552mmjAAdt= = + = minmin1147 100041.63MPa275.52 100jNA= =maxmax4468 1000162.27MPa275.52 100jNA= =故 ()1.0 1.0 162.27 41.63 1.0 130.7 验算通过！ 2.6 钢的种类、代号与技术标准 钢结构常用的钢材主要有碳素结构钢和低合金高强度结构钢。低合金结构钢因含有锰、钒等合金元素而具有较高的强度。此外，当结构处于腐蚀性工作介质时，则
25、采用耐大气腐蚀用钢(耐候钢)，还有用于桥梁工程的桥梁用结构钢等。 2.6.1 碳素结构钢 由于碳素结构钢冶炼容易，成本低廉，并有良好的各种加工性能，使用较广泛。按现行碳素结构钢 (GB700-1988)规定， 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母 Q、 屈服点数值、质量等级 (A、 B、 C、 D)、脱氧方法符号 (F、 b、 Z、 TZ)等四个部分按顺序组成。 碳素结构钢按屈服点从小到大，分为 Q195、 Q2l5、 Q235、 Q255 和 Q275 等五种牌号。屈服点越高，含碳量越大，强度和硬度越高，塑性越低。其中， Q195 和 Q215 的强度较低，Q255 的含碳量上限和 Q275
26、的含碳量都超出低碳钢的范围，而 Q235 在使用、加工和焊接方面的性能都比较好，所以 Q235 是钢结构常用的钢材品种之一。 碳素结构钢按质量等级由低到高，分为 A、 B、 C、 D 四级。不同质量等级对冲击韧性 (夏氏 V 形缺口试验 )的要求有区别。 A 级钢只保证抗拉强度、屈服点和伸长率，必要时才要求图 2-18 钢桁梁结构尺寸 单位 m 1A 3A 5A7A9A 0E 2E 4E6E8E10E 9.6310 7L = 27 冷弯试验合格，无冲击韧性要求。 B、 C、 D 级均要求保证抗拉强度、屈服点、伸长率和冷弯试验合格。此外， B 级还要求提供 20时，冲击功 Ak 27J； C 级
27、要求 0时，冲击功 Ak 27J； D 级要求 -20时，冲击功 Ak 27J。不同质量等级对化学成分的要求也有区别。 钢材在浇铸过程中，由于脱氧程度的不同分为镇静钢 (Z)、半镇静钢 (b)和沸腾钢 (F)。此外， 还有用铝补充脱氧的特殊镇静钢 (TZ)。 对 Q235 来说， A、 B 两级钢的脱氧方法可以是 Z、b 或 F； C 级只能是 Z； D 级只能是 TZ。用 Z 和 TZ 表示牌号时可以省略。现将 Q235 钢表示法举例如下： Q235-A.F屈服点为 235MPa 的 A 级沸腾钢； Q235-B一屈服点为 235MPa 的 B 级镇静钢； Q235-B.b屈服点为 235M
28、Pa 的 B 级半镇静钢； Q235-C屈服点为 235MPa 的 C 级镇静钢； Q235-D屈服点为 235MPa 的 D 级特殊镇静钢。 2.6.2 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在冶炼过程中添加少量几种合金元素 (合金元素总量低于 5 )，使钢材强度明显提高，故称为低合金高强度结构钢。根据低合金高强度结构钢 (GBT159-1994)，其牌号表示方法已经与碳素结构钢一致，即由代表屈服点的汉语拼音字母 (Q)、屈服点数值、质量等级符号 (A、 B、 C、 D、 E)、脱氧方法等四个部分按顺序排列表示。 钢牌号按屈服点由小到大， 分为 Q295、 Q345、 Q390、 Q420
29、 和 Q460 等五种， 其中 Q345、Q390 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。这三种钢都包括 A、 B、 C、 D、 E五种质量等级，和碳素结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性 (夏氏 v 形缺口试验 )的要求区分的。 A 级无冲击功要求； B 级要求 20时冲击功 Ak 34J(纵向 )； C 级要求 0时冲击功 Ak 34J(纵向 )； D 级要求 -20时冲击功 Ak 34J(纵向 )； E 级要求 -40时冲击功 Ak 27J(纵向 )。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。 低合金高强度结构钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。 A、 B 级属于镇静钢，
30、 C、 D、E 级属于特殊镇静钢。它们应以热轧、冷轧、正火及回火状态交货。 低合金高强度结构钢与碳素钢相比：它强度高，可减轻自重，节约钢材，综合性能好，如抗冲击性强、耐低温和腐蚀，有利于延长使用年限。塑性、韧性和可焊性好，有利于加工和施工。 2.6.3 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是碳素结构钢经过热处理里 (如调质处理和正火处理 )得到的优质钢。按优质碳素结构钢技术条件 (GB699-88)的规定， 根据含锰量不同可分为普通含锰量 (0.8，共 20 个钢号 )和较高含锰量 (0.7 1.2，共 11 个钢号 )两组。其钢号用两位数字表示，代表平均含碳量的万分数，含锰较高时，在钢号后加注“
31、Mn” 。优质碳素钢中只有三个钢号属沸腾钢，应在钢号后加注“ F” ，其余均为镇静钢。 优质碳素结构钢和碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，硫、磷含量都不大于 0.035，并严格限制其他缺陷，所以这种钢材具有较好的综合性能。例如，用于制造高强度螺栓的 45 号优质碳素结构钢，就是通过调质处理提高其强度而对其塑性和韧性又无显著影响。低合金钢也可以通过调质处理进一步提高其强度。 土木工程中，优质碳素结构钢主要用于重要结构的钢铸件和高强螺栓，常用 30 45 号钢。 在预应力钢筋混凝土中制作锚具时常用 45 号钢； 碳素钢丝、 刻痕钢丝和钢绞线常用 6580 号钢。 2.6.4 耐大气腐蚀用
32、钢 在钢的冶炼过程中，加入少量特定的合金元素，一般指铜 (Cu)、磷 (P)、铬 (Cr)、镍 (Ni)等，使之在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能，这类钢称为耐大气腐蚀用钢 (耐候钢 )。耐候钢比碳素结构钢的力学性能高，冲击韧性，特别是低温冲击韧性较好，同时还有良好的冷成形性和热成形性。上海宝钢集团已开发出一种“耐腐蚀的结构用热轧钢板及钢带” ，其耐候性为普通钢的 28 倍。 1.分类 28 我国目前生产的耐候钢分为高耐候钢和焊接耐候钢两种。 高耐候结构钢的耐腐蚀性能比焊接耐候钢好，故称为高耐候结构钢。反之，与高耐候结构钢相比，焊接耐候钢具有较好的焊接性能。 2. 牌号表示方
33、法 按照耐候结构钢 （ GB T 4171-2008）的规定，钢的牌号表示方法是由“屈服强度” 、“高耐候” 或 “耐候” 的拼音首位字母 Q、 GNH 或 NH、 屈服强度的下限值以及质量等级 （ A、B、 C、 D、 E）组成。 例如 Q335GNHC 表示：屈服强度为 335MPa 的高耐候 C 级钢。 2.6.5 铁路桥梁用结构钢 桥梁用结构钢的力学性能优于一般钢种，焊接性能好。其表达方法同其他钢标准一致，规定为屈服点 Q 和数值、桥梁钢的字母 q 和质量等级 (D、 E)四个部分组成。按屈服点大小，分为 Q235q、 Q345q、 Q370q、 Q420q 四种牌号。 2.7 钢材的
34、选用原则 钢材的选择在钢结构设计中是首要的一环，选择的目的是保证安全可靠和做到经济合理。选用的基本原则是物尽其才，尽量避免大材小用、绝对禁止小才大用。选择钢材时考虑的因素有： 1.结构或构件的重要性 结构及其构件按其用途、所处部位及破坏后的严重性等方面的不同，可分为一级 (重要的 )、二级 (一般的 )和三级 (次要的 )。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。对重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层的民用建筑结构或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结构，可按工作性质分别选用普通质量的钢材。 2.荷载性质 荷载分为可静力荷载和动力荷载两种。荷载性质不同，对钢材的
35、品种和质量等级有不同的要求。直接承受动力荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静力荷载的结构则可选用价格较低的 Q235 钢。 3.连接方法 钢结构的连接方法有焊接和非焊接两种。由于在焊接过程中，会产生焊接变形、焊接应力以及其他焊接缺陷，如咬肉、气孔、裂纹、夹渣等，有导致结构产生裂缝或脆性断裂的危险。因此，焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面，焊接结构必须严格控制碳、硫、磷的极限含量；而非焊接结构对含碳量可降低这些要求。 4.结构所处的温度和环境 结构的工作环境对钢材有很大影响。钢材处于低温时容易冷脆，因此在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具
36、有良好抗低温脆断性能的镇静钢。此外，露天结构的钢材容易产生时效，有害介质作用的钢材容易腐蚀、疲劳和断裂，也应加以区别地选择不同材质。 5.钢材厚度 薄钢材辊轧次数多，轧制的压缩比大，厚度大的钢材压缩比小；所以厚度大的钢材不但强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。 29 思考题 2.1 结构钢需要具备力学性能有哪些？ 2.2 影响结构钢力学性能的因素有哪些？ 2.3 钢材有几种基本破坏形式？试述各自的破坏特征和微观实质 2.4 请简述疲劳破坏产生的条件、疲劳断裂过程？ 2.5 选择钢材时应考虑的因素有哪些？ 2.6 举例说明钢构件截面产生应力集中的原因，举例说明工程中减小应力集中程度的构造措施？
